Composition of Sedimentary Organic Matter across the Laptev Sea Shelf: Evidences from Rock-Eval Parameters and Molecular Indicators

Global warming in high latitudes causes destabilization of vulnerable permafrost deposits followed by massive thaw-release of organic carbon. Permafrost-derived carbon may be buried in the nearshore sediments, transported towards the deeper basins or degraded into the greenhouse gases, potentially initiating a positive feedback to climate change. In the present study, we aim to identify the sources, distribution and degradation state of organic matter (OM) stored in the surface sediments of the Laptev Sea (LS), which receives a large input of terrestrial carbon from both Lena River discharge and intense coastal erosion. We applied a suite of geochemical indicators including the Rock Eval parameters, traditionally used for the matured OM characterization, and terrestrial lipid biomarkers. In addition, we analyzed a comprehensive grain size data in order to assess hydrodynamic sedimentation regime across the LS shelf. Rock-Eval (RE) data characterize LS sedimentary OM with generally low hydrogen index (100–200 mg HC/g TOC) and oxygen index (200 and 300 CO2/g TOC) both increasing off to the continental slope. According to Tpeak values, there is a clear regional distinction between two groups (369–401 °C for the inner and mid shelf; 451–464 °C for the outer shelf). We suggest that permafrost-derived OM is traced across the shallow and mid depths with high Tpeak and slightly elevated HI values if compared to other Arctic continental margins. Molecular-based degradation indicators show a trend to more degraded terrestrial OC with increasing distance from the coast corroborating with RE results. However, we observed much less variation of the degradation markers down to the deeper sampling horizons, which supports the notion that the most active OM degradation in LS land-shelf system takes part during the cross-shelf transport, not while getting buried deeper

Identifying sources of organic carbon in surface sediments of Laptev Sea shelf using a Rock-Eval approach

Актуальность исследования обусловлена необходимостью всестороннего изучения процессов, ответственных за изменения биогеохимического режима арктического региона. Увеличение темпов деградации прибрежной и подводной мерзлоты на Восточно-Сибирском шельфе приводит к вовлечению в современный биогеохимический цикл большого объема ремобилизованного органического углерода. Изучение особенностей его транспорта и преобразования в системе суша-шельф играет важную роль для оценки функционирования крайне хрупкой арктической экосистемы. Цель: изучение геохимических характеристик органического вещества, прослеживаемых по профилю от береговой зоны к континентальному склону моря Лаптевых с применением метода Rock-Eval и оценка их взаимосвязи с литологическими свойствами вмещающих осадков. Объектом исследования явились пробы донных осадков, взятые с поверхностного горизонта (0-2 см). Отбор проб проводился в морских арктических экспедициях 2018-2019 гг. на НИС «Академик Мстислав Келдыш». Результаты. На основе результатов пиролитического анализа дана геохимическая характеристика органического вещества, содержащегося в донных осадках моря Лаптевых. Органическое вещество, экспортируемое с речным стоком и продуктами береговой эрозии, характеризуется относительно низким кислородным (OI) и водородным (HI) индексами в прибрежной зоне и на глубинах до нескольких десятков метров. В районе среднего шельфа существенное влияние на состав органического вещества, по всей видимости, оказывает снос осадочного вещества с Новосибирских островов, где активно действуют термоабразионные процессы (снижение значений HI и увеличение OI). Высказано предположение, что для продуктов, выносимых речным стоком, и продуктов эрозии берегов характерны различные пиролитические параметры, определяемые методом Rock-Eval (в частности, значения HI, OI и Tpeak).An increasing rate of degradation of coastal and subsea permafrost leads to remobilization of huge amounts of organic carbon. To know how this remobilized carbon behaves while being transported through the land-shelf system is crucially important for understanding an extremely fragile Arctic ecosystem. This study is aimed at tracing the geochemical signals of organic matter along the profile from the coastal zone to the continental slope of the Laptev Sea, using the Rock-Eval approach. We investigated surface sediment samples obtained during the Arctic marine expeditions of 2018-2019 on the R/V "Akademik Mstislav Keldysh". The most active oxidation of organic matter, exported with river runoff and products of coastal erosion, occurs in the coastal zone at a depth of several tens of meters. A significant effect on the organic matter composition is exerted by the sediment export from Novosibirsk Islands eroding coastlines. We assume that various products carried by river runoff and coastal erosion are characterized by various signatures detected by the Rock-Eval method (e.g., the OI and Tpeak values). It is also shown that the mineral matrix does not seem to provide a first-order control on preventing organic matter degradation during transport from the coastal zone to deep-sea basins

Composition of organic matter in bottom sediments of the Chaunskaya Bay (East Siberian Sea)

Актуальность исследования определяется необходимостью оценки региональных особенностей транспорта и преобразования органического вещества в различных седиментационных и биогеохимических обстановках, действующих на ВосточноСибирском арктическом шельфе, в том числе в Восточно-Сибирском море - наиболее ледовитом и наименее изученном море Российской Арктики. Цель исследования заключается в определении состава и источников органического вещества донных осадков Чаунской губы (Восточно-Сибирское море). Объекты: 25 проб поверхностных донных осадков, отобранных по профилю от прибрежной зоны Чаунской губы до внутренней части шельфа Восточно-Сибирского моря в ходе комплексной научно-исследовательской морской экспедиции на борту НИС «Академик Опарин» в сентябре-октябре 2020 г. Методы. Для анализа групп углеводородных соединений ОВ донных осадков был применен пиролитический анализ по методу Rock-Eval; оценка распределения н-алканов проводилась на основе результатов газовой хромато-масс-спектрометрии. Гранулометрический анализ осадков выполнялся на лазерном анализаторе частиц. Результаты. Состав осадочного материала в Чаунской губе преимущественно определяется особенностями подводного рельефа и гравитационными потоками поступающего терригенного материала - продуктов локальной термоабразии береговой зоны (о. Айон) и речного аллювия в юго-восточной части губы. Определенную роль в формировании седиментационного облика губы, предположительно, играют процессы вытаивания криозоля в результате разрушения областей припайного льда. Данные пиролиза и анализ распределения н-алканов для поверхностных осадков указывают на смешанный генезис органического вещества в поверхностных осадках с доминирующим вкладом наземного органического вещества высокой степени преобразованности и высокое содержание трудноразлагаемых гуминовых веществ и фульвокислот. Присутствие автохтонного органического вещества отражает высокую продуктивность вод Чаунской губы.The relevance of the study is determined by the need to assess the regional characteristics of transport and transformation of organic matter in various sedimentation and biogeochemical environments on the East Siberian Arctic Shelf, in particular in the less studied and remoted East Siberian Sea. The main aim of the study is to determine the composition and sources of organic matter of bottom sediments of the Chaunskaya Bay (East Siberian Sea). Objects: 25 surface bottom sediments sampled along the transect from the coastal zone of the Chaunskaya Bay to the inner part of the East Siberian Sea shelf during the marine expedition on the R/V «Academician Oparin» in September-October 2020. Methods. Rock-Eval pyrolytic analysis was used to analyze groups of hydrocarbon compounds in organic matter from bottom sediments; the n-alkanes distribution was estimated based on the results of gas chromatography-mass-spectrometry. Grain size analysis was performed on a laser particle analyzer. Results. The composition of sedimentary material in the Chaunskaya Bay is mainly determined by the features of the underwater relief and gravity flows of the incoming terrigenous material - products of local thermal abrasion of the coastal zone (Ayon Island) and river alluvium in the southeastern part of the bay. A certain role in the formation of the sedimentary appearance of the bay is presumably played by the processes of cryosol thawing as a result of the destruction of fast ice areas. Pyrolysis data and analysis of the distribution of n-alkanes for surface sediments indicate a mixed genesis of organic matter in surface sediments with a dominant contribution of terrestrial organic matter of a high degree of transformation and a high content of hardly decomposable humic substances and fulvic acids. The presence of autochthonous organic matter reflects the high productivity of the Chaunskaya Bay waters